Introdução aos Sistemas de Armazenamento de Energia · 2021. 2. 3. · Eficiência de sistemas de...

12/01/2021 Integração de ESS no SEP 1

Introdução aos Sistemas de

Armazenamento de Energia

Prof. Allan Fagner Cupertino

afcupertino@ieee.org

212/01/2021

Tópicos a serem abordados

❑ Características – Sistemas elétricos modernos;

❑ Tecnologias de armazenamento de energia;

❑ Eficiência em sistemas de armazenamento;

❑ Comparação de tecnologias.

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12/01/2021 Integração de ESS no SEP 3

Características dos sistemas elétricos

de potência modernos

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afcupertino@ieee.org

412/01/2021

Estrutura básica de um sistema elétrico tradicional

Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

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512/01/2021

Mudança de paradigma: Geração distribuída

Fonte: Shaun Howell et. al., "Towards the next generation of smart grids: Semantic and holonic multi-agent management of distributed energy resources,"

in Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 77, pp. 193-214, Set. 2017.

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612/01/2021

Comparação das dinâmicas

Fonte: H. A. Pereira, “Modeling of Full-Converter Wind Turbine Generators for Power System Studies," Tese de Doutorado. UFMG, 2015.

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712/01/2021

Intermitência de fontes renováveis – Energia Eólica

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812/01/2021

Intermitência de fontes renováveis – Energia Solar

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912/01/2021

Intermitência de fontes renováveis – Energia Solar

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: F. S. Barnes and J. G. Levine “Large Energy Storage Systems Handbook," CRC Taylor & Francis Group, 2011.

1012/01/2021

Coordenação – Sistema de armazenamento e o SEP

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

12/01/2021 Integração de ESS no SEP 11

Tecnologias de armazenamento

de Energia

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1212/01/2021

Formas de armazenamento de energia

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❑ Energia potencial gravitacional;

❑ Pressão de um fluído comprimido;

❑ Ligação covalente de certas moléculas;

❑ Energia cinética;

❑ Campos elétricos e campos magnéticos.

1312/01/2021

Tecnologias de armazenamento de energia

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*SMES: Superconducting magnetic energy storage

*

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

1412/01/2021

Sistemas Hidroelétricos

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*

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

1512/01/2021

Sistemas Hidroelétricos

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

❑ 𝐸 = 𝜌𝑔𝐻𝑉

❑ Maior parcela do mercado;

❑ Tecnologia madura (1890’s);

❑ Eficiência na faixa de 65 a 75 %;

❑ Tempo de operação → 30 a 50 anos.

1612/01/2021

Sistemas Baseados em Ar Comprimido

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

1712/01/2021

Armazenamento por ar comprimido

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❑ 𝐸 < 𝑃1𝑉1 ln𝑃1

𝑃𝑎− 1 +

𝑃𝑎

𝑃1

❑ Pressões em torno de 40 – 70 bar;

❑ Sistemas grandes dependem da existência de cavernas;

❑ Eficiência em torno de 70 %;

❑ Baixa auto descarga → compete com sistemas hidroelétricos;

❑ Tempo de operação → 40 anos;

❑ Sistema de 290 MW na Alemanha e um de 110 MW nos EUA.

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

1812/01/2021

Armazenamento por massa girante - Flywheel

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❑ 𝐸 =1

2𝐽 𝜔2

❑ Sistemas com elevada vida útil - 107ciclos;

❑ Dispositivos de alta tecnologia;

❑ Baixa velocidade → milhares de rpm;

❑ Alta velocidade → dezenas de milhares de rpm;

❑ Alta eficiência → em torno de 90 %;

❑ Aplicações de curto-termo → poucos minutos;

Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

1912/01/2021

Armazenamento por massa girante - Flywheel

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Fonte: 1) https://www.theguardian.com/business/2020/jul/06/giant-flywheel-project-in-scotland-could-prevent-uk-blackouts-energy

2) Beacon Power.

2012/01/2021

Armazenamento por Supercapacitores

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

2112/01/2021

Capacitores

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Fonte: https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf

2212/01/2021

Capacitores

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Fonte: https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf

2312/01/2021

Circuito equivalente – Supercapacitor

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Fonte: https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/243654015/IECON_2016_Cap_HW.pdf

❑ Efeito indutivo;

❑ Auto descarga ocasionada por 𝑅𝑝;

❑ Perdas associadas a 𝐸𝑆𝑅.

Fonte: Texas instruments. “Op Amps for Everyone”

2412/01/2021

SVC Plus Frequency Stabilizer - Siemens

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Fonte: https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-transmission/facts/portfolio/svcplus-frequency-stabilizer.html

2512/01/2021

SMES

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

2612/01/2021

Exemplo de SMES

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

2712/01/2021

Armazenamento baseado em hidrogênio

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

2812/01/2021

Armazenamento baseado em hidrogênio

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

❑ Faz uso de células combustíveis;

❑ Aplicações industriais:

➢ PEMFC (próton exchange membrane full cell)

➢ Temperatura de operação em torno de 80 ℃;

➢ Disponíveis no mercado (em torno de 100 kW).

❑ Alta potência

➢ SOFC (solide oxide fuel cell);

➢ Opera a 650 ℃;

➢ Pacotes de até 2 MW encontrados no mercado.

❑ Eficiências em torno de 42 %.

2912/01/2021

Armazenamento baseado em baterias

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

3012/01/2021

Armazenamento baseado em baterias

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

3112/01/2021

Armazenamento Térmico

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Fonte: F. Díaz González, A. Sumper e O. Gomis-Bellmunt, “Energy Storage in power systems," John Wiley & Sons, 2016.

3212/01/2021

Nível de maturidade das tecnologias

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Fonte: World Energy Council, “E-storage: Shifting from cost to value. 2016.

12/01/2021 Prof. Allan Fagner Cupertino 33

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12/01/2021 Integração de ESS no SEP 34

Eficiência de sistemas de armazenamento

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3512/01/2021

Algumas definições técnicas – armazenadores elétricos e eletroquímicos

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❑ Capacidade C: quantidade de energia que pode ser recuperada do armazenador.

𝐶 = න0

𝑡

𝑖 𝑡 𝑑𝑡

❑ Profundidade de descarga DoD: Quantidade de eletricidade extraída do armazenadorem relação a sua capacidade.

𝐷𝑜𝐷 =0𝑡𝑖𝑑𝑖𝑠 𝑡 𝑑𝑡

𝐶❑ Estado de carga SoC: Indica a quantidade de eletricidade disponível em relação a sua

capacidade

𝑆𝑜𝐶 =𝐶 − 0

𝑡𝑖𝑑𝑖𝑠 𝑡 𝑑𝑡

𝐶= 1 − 𝐷𝑜𝐷

3612/01/2021

Algumas definições técnicas – outras tecnologias

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❑ A capacidade é medida em termos de energia armazenada:

𝐸𝑠𝑡𝑜 = න0

𝑡

𝑝 𝑡 𝑑𝑡

❑ Além disso, SoC é substituído por SoE:

𝑆𝑜𝐸 =𝐸

𝐸𝑠𝑡𝑜

3712/01/2021

Eficiência de sistemas de armazenamento de energia

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❑ Figura de mérito importante para sistemas de armazenamento;

❑ Definição não é trivial, uma vez que existem diversos modos de operação:

➢ Perdas por transferência de potência 𝑃𝑐ℎ: Processo de carga e descarga;

➢ Perdas por auto descarga 𝑃0: Sistema desabilitado.

❑ 𝑃𝑐ℎ ≈ 𝛼 𝑃2;

❑ 𝑃0 = 𝑓 𝑆𝑜𝐸 .

❑ 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝛼 𝑃2 + 𝑓 𝑆𝑜𝐸 ⟺ 𝐸𝑙𝑜𝑠𝑠𝐶𝑦𝑐 = 0𝑡𝑐𝑦𝑐 𝛼 𝑃2 + 𝑓 𝑆𝑜𝐸 𝑑𝑡

3812/01/2021

Eficiência global normal e real

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❑ Eficiência global normal:

➢ 𝜂𝑐𝑛0: Assume que a potência de carga e descarga são iguais e desconsidera auto descarga;

❑ Eficiência global real:

➢ 𝜂𝑐𝑛𝑡: Considera o efeito da auto descarga;

❑ Convenção: 𝑃 𝑡 é positiva durante carga e negativa durante descarga;

𝑆𝑜𝐸 𝑡 = 𝑆𝑜𝐸 𝑡0 + 𝑃 𝑡 − 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 𝑡 𝑑𝑡

𝐸𝑠𝑡𝑜

3912/01/2021

Exemplo de um perfil de operação – ESS

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

4012/01/2021

Eficiência de sistemas de armazenamento de energia

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❑ Eficiência global normal:

❑ Eficiência global real:

❑ Se considerarmos que :

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

4112/01/2021

Eficiência de sistemas de armazenamento de energia

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❑ Eficiência instantânea de carga:

❑ Eficiência instantânea de descarga:

❑ Fator de alto descarga:

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

4212/01/2021

Eficiência de sistemas de armazenamento de energia

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❑ Expressão mostra a dependência da eficiência global em função das eficiênciasinstantâneas;

❑ Importante notar um produto de eficiências!

❑ Variável importante no projeto do sistema de conversão.

❑ Energia é o “produto final”!

⟺

12/01/2021 Integração de ESS no SEP 43

Comparação entre tecnologias

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4412/01/2021

Faixas de aplicação - tecnologias

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Systems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

4512/01/2021

Figuras de mérito de sistemas de armazenamento

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❑ Densidade de energia: 𝑒𝑣 → Unidade: Wh/dm3 ou kWh/m3;

❑ Densidade de potência: 𝜌𝑣 → Unidade: W/dm3 ou kW/m3;

❑ Densidade específica de energia: 𝑒𝑚 → Unidade: Wh/kg ou kWh/ton;

❑ Densidade específica de potência: 𝜌𝑚 → Unidade: W/kg ou kW/ton;

4612/01/2021

Densidade específica de energia versus densidade de energia

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

4712/01/2021

Diagrama de Ragone

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

❑ Gráfico de Ragone: 𝑒𝑚 versus 𝜌𝑚 com eixos logaritmos.

4812/01/2021

Diagrama de Ragone – Tecnologias para veículos elétricos

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Fonte: F. S. Barnes and J. G. Levine “Large Energy Storage Systems Handbook," CRC Taylor & Francis Group, 2011.

4912/01/2021

Diagrama de Ragone – tecnologias para veículos elétricos

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Fonte: A. Stan et. al. “A.-I. Stan et al., ”Lithium Ion Battery Chemistries from Renewable Energy Storage to Automotive and Back-up

Power Applications – An Overview,” IEEE-OPTIM, pp. 713-720, 2014.”

5012/01/2021

Eficiências Típicas versus Número de ciclos

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

5112/01/2021

Custos Típicos

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Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

5212/01/2021

Resumo

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: A. Rufer. “Energy Storage: Sytems and Components," CRC Taylor & Francis Group, 2018.

5312/01/2021

Mercado de Sistemas de Armazenamento - 2019

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/energy-storage-systems-market.

Fonte: https://www.iea.org/reports/energy-storage.

5412/01/2021

Mercado de Sistemas de Armazenamento

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: https://www.iea.org/reports/energy-storage.

5512/01/2021

Crescimento – mercado Alemão

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: J. Figgener et. al “The development of stationary battery storage systems in Germany – A market review”. in Journal of Energy Storage. Vol 29. 2020

5612/01/2021

Crescimento – mercado alemão - baterias

Prof. Allan Fagner Cupertino

Fonte: J. Figgener et. al “The development of stationary battery storage systems in Germany – A market review”. in Journal of Energy Storage. Vol 29. 2020

12/01/2021 Prof. Allan Fagner Cupertino 57

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